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固體推進劑損傷多尺度模擬

包郵 固體推進劑損傷多尺度模擬

作者:龐維強等
出版社:科學出版社出版時間:2022-04-01
開本: B5 頁數: 296
本類榜單:工業技術銷量榜
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固體推進劑損傷多尺度模擬 版權信息

  • ISBN:9787030708366
  • 條形碼:9787030708366 ; 978-7-03-070836-6
  • 裝幀:一般膠版紙
  • 冊數:暫無
  • 重量:暫無
  • 所屬分類:>

固體推進劑損傷多尺度模擬 本書特色

對固體推進劑研制過程中涉及的組分、性能和應用等方面的數值模擬及驗證進行了全面深入的講解

固體推進劑損傷多尺度模擬 內容簡介

本書依據固體推進劑力學性能從微觀-細觀-宏觀多尺度數值模擬技術為主線,分章闡述了固體推進劑的多尺度數值模擬研究近期新成果,對固體推進劑的多尺度數值模擬及推進劑研發模式具有重要的指導和參考作用。本書是著書作者多年來從事固體推進劑數值模擬與試驗等方面的工作和科研成果的總結,并參閱了近些年來國內外學者研究固體推進劑技術相關領域的近期新研究成果,對固體推進劑研制過程中涉及的組分、性能和應用等方面的數值模擬及驗證進行了全面深入的講解。

固體推進劑損傷多尺度模擬 目錄

目錄
前言
第1章 緒論 1
1.1 概述 1
1.2 固體推進劑 2
1.3 分子動力學研究進展 3
1.3.1 固體推進劑分子動力學模擬 4
1.3.2 分子動力學方法在固體推進劑中的應用 8
1.3.3 分子動力學方法在單體炸藥中的應用 18
1.3.4 分子動力學方法在混合炸藥中的應用 19
1.3.5 分子動力學方法在高分子材料中的應用 28
1.4 推進劑的宏細觀損傷研究進展 34
1.4.1 推進劑損傷實驗研究 34
1.4.2 推進劑損傷數值模擬研究 39
1.5 復合固體推進劑本構模型研究進展 44
參考文獻 46
第2章 固體推進劑分子動力學數值模擬 56
2.1 概述 56
2.2 計算方法 56
2.2.1 力場的選擇 56
2.2.2 物理建模過程 57
2.2.3 分子動力學模擬細節 69
2.2.4 靜態力學性能計算原理 69
2.2.5 PPESK/ε-CL-20性能模擬計算 70
2.2.6 介觀動力學模擬 71
2.2.7 共晶含能材料分子動力學模擬 71
2.2.8 樣品制備及試驗測試 74
2.3 微觀動力學模擬 75
2.3.1 GAP/不同增塑劑共混體系 75
2.3.2 NC/TMETN體系 78
2.3.3 NC/DIANP體系 80
2.3.4 NC/NG體系 84
2.3.5 NC/DNTF體系 99
2.3.6 NC/Bu-NENA體系 102
2.3.7 NC/PEG體系 107
2.3.8 HTPE/不同增塑劑體系 112
2.3.9 CL-20/含能黏結劑體系 116
2.3.10 PPESK/ε-CL-20復合體系 122
2.3.11 含氟聚合物包覆鋁粉體系 126
2.3.12 PEG與鋁顆粒體系 130
2.4 介觀動力學模擬 133
2.4.1 NC/增塑劑體系相互作用參數 133
2.4.2 分子的高斯鏈結構 134
2.4.3 增塑劑種類對體系相結構的影響 135
2.4.4 增塑劑含量對體系相結構的影響 137
2.4.5 溫度對體系相結構的影響 138
2.4.6 NC/TMETN介觀分子動力學模擬 139
2.5 共晶含能材料分子動力學模擬 140
2.5.1 CL-20/HMX共晶 140
2.5.2 CL-20/FOX-7共晶 151
2.5.3 CL-20/TATB共晶 155
2.5.4 HMX/FOX-7共晶 159
參考文獻 164
第3章 復合固體推進劑變形損傷過程研究 170
3.1 概述 170
3.2 推進劑單軸拉伸實驗 170
3.2.1 實驗方法 170
3.2.2 實驗結果及分析 171
3.3 推進劑斷口掃描電鏡觀測 177
3.3.1 實驗設備 177
3.3.2 斷口形貌分析 177
3.4 原位拉伸動態觀測實驗 180
3.4.1 實驗方案 180
3.4.2 實驗結果及分析 181
3.5 裂紋尖端損傷擴展過程觀測 187
3.5.1 實驗方案 187
3.5.2 損傷擴展過程分析 189
參考文獻 191
第4章 基于數字圖像相關方法的細觀破壞定量表征 192
4.1 概述 192
4.2 數字圖像相關方法基本理論 192
4.3 數字圖像相關方法計算機實現 193
4.4 非線性優化 197
4.4.1 初始化 197
4.4.2 高斯-牛頓非線性迭代*小二乘法 198
4.4.3 前向加性高斯-牛頓法 199
4.5 推進劑數字圖像相關方法分析過程 202
4.5.1 計算區域設置 202
4.5.2 大變形處理方法 203
4.6 推進劑變化破壞過程定量表征 203
4.6.1 拉伸過程的DIC結果分析 203
4.6.2 裂紋擴展過程的DIC結果分析 206
參考文獻 209
第5章 推進劑宏細觀數值模擬及驗證 211
5.1 概述 211
5.2 基于子模型的宏細觀數值模擬方法 211
5.2.1 非線性有限元方程 211
5.2.2 界面單元及本構模型 213
5.3 計算模型及參數 217
5.3.1 計算模型 217
5.3.2 材料屬性及參數 223
5.4 宏細觀數值模擬結果及驗證 226
5.4.1 應力-應變分析 226
5.4.2 界面脫濕分析 227
5.4.3 實驗與數值結果對比 228
參考文獻 228
第6章 基于損傷的復合推進劑黏超彈本構模型 231
6.1 概述 231
6.2 復合推進劑宏觀力學特性 231
6.2.1 黏彈特性 231
6.2.2 非線性 236
6.3 基于損傷的非線性黏超彈本構模型 239
6.3.1 黏超彈本構模型 239
6.3.2 黏超彈本構參數的實驗獲取 246
6.3.3 損傷黏超彈本構模型 252
6.3.4 損傷內變量的選擇和損傷函數的實驗確定 254
6.4 本構模型的數值算法和驗證計算 260
6.4.1 小變形下線黏彈性本構方程數值算法 260
6.4.2 有限變形下黏超彈性本構方程的數值算法 264
6.4.3 基于損傷的黏超彈性本構方程的數值算法 268
6.4.4 本構模型的仿真驗證 271
6.5 小結 279
參考文獻 279
第7章 固體推進劑數值模擬的發展與趨勢 282
7.1 概述 282
7.2 固體推進劑多尺度模擬發展 282
7.3 對發展固體推進劑數值模擬的思考與建議 284
參考文獻 285
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固體推進劑損傷多尺度模擬 節選

第1章 緒論 1.1 概述 近年來,利用計算機數值模擬技術研究復合材料的力學性能日益成為人們感興趣的課題。由于計算機處理速度的迅速提高,計算機模擬已經和實驗觀察、理論分析并列成為21世紀科學研究的三種方法[1]。計算機模擬的數據(從模型中得來)可以用來比較、驗證各種近似理論;同時,計算機模擬方法還可用來對實驗和模型進行比較,從而提供評估構建模型正確與否的手段。計算機模擬方法還可以溝通理論和實驗,例如,某些量或行為可能是無法或難以在實驗中測量的,而用計算機模擬方法,這些量可以被精確地計算出來[2]。分子動力學模擬方法更以其建模簡單、模擬結果準確的特征而備受研究者的關注。而且,隨著分子動力學模擬技術以及計算機技術的飛速發展,其對復合材料科學的發展產生了深刻影響,通過對材料組分和材料結構的模型化計算實現對材料設計、制備、加工、結構和性能等參數或過程的定量描述,建立材料結構與性能之間的關系,并*終按指定目標設計新型材料。隨著研究對象的空間和時間尺度不同,計算材料學的研究范圍、深度和方法也不同。材料的空間尺度大體可劃分為電子/原子尺度、微觀、介觀和連續體(宏觀)4個尺度,或簡單地分為微觀、細觀和宏觀3個尺度。計算方法依次為量子力學方法(半經驗分子軌道法、**性原理)、量子分子動力學(quantum molecular dynamics,QMD)、經典分子動力學(classical molecular dynamics,CMD)和蒙特卡羅模擬、耗散粒子動力學模擬、相場動力學和原胞自動化方法、有限元和有限差分法等[3]。一般來說,通過電子及原子層次計算來實現對材料本質的認識,是材料設計的科學基礎,其研究方法主要為量子力學(在化學和材料學領域,常稱量子化學)和分子動力學模擬。分子動力學模擬描述了原子核的運動過程,可求得系統的結構和性質,模擬結果既包含系統的靜態性質,又包含動態特性;經典(經驗勢)分子動力學可研究上百萬甚至千萬個原子的體系,但不適用于有電子轉移、原子變價的過程。 在復合含能材料中,研究固體推進劑的尺度可分為微觀、細觀和宏觀三個尺度。 1. 微觀尺度 微觀尺度可研究塊體材料內部的應力和應變,材料的結構單元在原子、分子量級,即從10?7~10?4cm著眼于結構材料單顆粒的微觀結構分析,由晶體結構及分子結構組成,可用電子顯微鏡觀察分析,該層次的結構是材料科學基礎研究的對象。 2. 細觀尺度 細觀尺度上結構單元尺度變化范圍在10?4cm至幾厘米,主要研究結構材料的排列方式,材料細觀結構對荷載及環境因素的響應、演化和時效機理以及材料細觀結構與宏觀力學性能的定量關系,在這一尺度對結構性材料的力學性質的研究稱為細觀力學,它是固體力學與材料科學緊密結合的新興學科。細觀力學將連續介質力學的概念與方法直接應用到細觀的材料構件上,利用多尺度的連續介質力學的方法,引入新的內變量,從而表征經過某種統計平均處理的細觀特征、微觀量的概率分布及其演化。 3. 宏觀尺度 宏觀尺度以準連續介質假設為基礎,研究材料的物理與力學性質受各種自然引力作用的響應特征。任何具有內部結構的材料不可避免地受尺度效應的影響。如果宏觀考察的代表單元尺寸取得足夠大,尺度效應基本消失,則相應的研究對象可以以這樣的單元為基礎按連續介質力學原理進行分析,這就是準連續介質的基本含義。具體來說,準連續介質代表單元內包含的結構體應在102~103數量級,而傳統的連續介質則應包含104以上的分子或晶體個數。 1.2 固體推進劑 固體推進劑的主要組分包括氧化劑、黏合劑、增塑劑、金屬顆粒、固化劑和鍵合劑等。其中氧化劑、黏合劑與金屬顆粒可為推進劑提供能量,增塑劑、固化劑和鍵合劑可輔助推進劑固化成型,并改善其力學性能[4]。在實際使用中,幾十年來,對推進劑配方的選取及其性能的研究需經過大量實驗,這將造成人力、物力、財力的巨大浪費。而利用MD[范1]方法對推進劑組分進行模擬,可以從微觀的角度研究其結構和性能之間的關系,并進一步指導推進劑的配方設計和宏觀性能的改進,提高研究效率[5]。 目前,實驗研究、理論分析和計算模擬已經成為現代科學研究的三種主要方法,是人類認識自然的三種主要途徑和工具。計算模擬在實驗的基礎上,利用基本原理構筑相應的模型,建立對應的方程,通過適當的算法對方程進行數值計算或求解,從而計算出合理的結構與性質。計算模擬可以彌補實驗研究和理論分析的不足,通過計算模擬,既可以對實驗結果進行預測,提供分析實驗結果的理論基礎,又可以提供與理論分析相比較的模擬數據,驗證分析結果的準確性,計算模擬逐漸成為聯系實驗研究和理論分析之間的一座橋梁。圖1-1是固體推進劑研究的實驗、計算模擬和理論分析的關系圖。 圖1-1 固體推進劑研究的實驗、計算模擬和理論分析的關系 計算模擬的優勢:一方面,可以節省大量的人力和物力,縮短固體推進劑研制周期,降低開發成本;另一方面,又可以提供在極端條件(輻射、超高壓和超高溫)下推進劑的“實驗數據”,代替一些很難或根本不可能完成的實驗。因此,數值模擬是研究固體推進劑性能不可或缺的技術手段。 1.3 分子動力學研究進展 分子動力學方法是運用力場和經典力學發展起來的一種模擬計算方法,是一種聯系微觀世界與宏觀世界的強有力的計算機模擬方法。它通過模擬系統中微觀粒子的運動,并利用數值積分求解其運動方程,得到系統中各粒子的運動狀態,進而獲得系統的溫度、壓強及能量等宏觀特性。 自1957年Alder和Wainwright[6]首次進行分子動力學模擬以來,因其在宏觀性質計算上具有較高的準確度和有效性,且隨著近年來計算機技術的飛速發展以及分子動力學軟件方面取得的重大進展,該方法在材料科學研究領域的應用日趨廣泛[7]。利用計算機技術對火炸藥進行分子動力學模擬,可從微觀角度揭示其結構與性能之間的關系,不僅有助于高性能火炸藥的配方設計,還可縮短研制周期并提高研制過程的安全性,故分子動力學方法已為越來越多的火炸藥研究者所采用。另外,由于裂紋萌生和擴展在可控性與觀察測量技術方面的限制,對它的實驗計算和分析不可避免地存在諸多困難,而采用分子動力學模擬方法則可以克服這些困難。用分子動力學模擬原理對裂紋萌生和擴展過程進行模擬,將有助于弄清裂紋萌生和擴展的機理,從而推動這一領域水平的提高。 1.3.1 固體推進劑分子動力學模擬 固體推進劑是由兩種或兩種以上的含能組分和黏結劑、增塑劑、鈍感劑等添加劑按適當比例混合而成的,其各組分性能優勢可以互補,適應多種使用要求,因此是含能材料在武器中應用的主要形式[8]。固體推進劑的凝聚態結構、相容性、安全性、力學和爆轟性能等在本質上均與分子間相互作用有關;隨著新型高能化合物、納米材料以及功能高聚物的應用和推進劑改性研究的深入[9],分子間相互作用的研究顯得至關重要。目前,含能材料體系中分子間相互作用的實驗研究主要以宏觀表征方法為主,如差示掃描量熱法(differential scanning calorimetry,DSC)[10]、DSC-熱重/微分熱重法(thermogravimetry/derivative thermogravimetry,TG/DTG)聯用[11]、高壓DSC(high-pressure differential scanning calorimetry,HPDSC)-TG/DTG聯用[12,13]、DSC/TG-質譜(mass spectrometry,MS)聯用[14]、量氣法[11,15-17]等熱分析方法,以及動態接觸角測量[18,19]、界面張力測試[18,19]、動態熱機械測試[20]等材料測試方法,直接以組分混合后體系性能的變化來推測組分之間的相互作用,并未涉及分子間作用本質。此外,掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope,SEM)[21,22]、X射線光電子能譜(X-ray photoelectron spectroscopy,XPS)[21-24,25]、顯微紅外光譜(microscopic infrared spectroscopy,MIR)[22-24]、傅里葉變換紅外光譜(Fourier transform infrared spectroscopy,FTIR)[25]、X射線衍射(X-ray diffraction,XRD)[26]等先進表征技術,也可用來研究含能材料體系分子間的相互作用機理,這些實驗結果為理論研究提供了可靠的依據。然而,對于含能體系來說,實驗研究成本昂貴,而且始終存在安全問題;在技術層面,對于分子間弱相互作用的電子結構層次的分析等還不夠詳盡,因此進行理論研究既是對實驗研究的補充,又是一種安全有效的研究手段。近年來,計算機模擬技術如量子化學(quantum chemistry,QC)、分子力學(molecular mechanics,MM)、分子動力學等[27-29]在含能材料領域得到了廣泛的應用和飛速的發展。大量實驗事實表明,固體推進劑體系通常是一種復雜的共混物體系,其中存在單質炸藥的聚集體、不同推進劑分子間、推進劑與其他組分間、添加組分間以及組分界面間等不同情形的相互作用,每一種情形都對整個混合體系的結構性能有所影響,各層次計算機模擬方法的應用為深入分析解決相關問題提供了有效工具。 1. 分子間相互作用及相容性 無論是由單組分還是多組分構成的含能材料,雖然分子組成和結構對其性能起決定作用,但各組分多聚體或混合組分之間的分子間相互作用對它們的聚集狀態、黏度(液體)、堆積方式和密度(固體)以及材料的多種性能(相容性、遷移性能等)也產生重要影響[30]。近10余年來,量子化學方法已用于研究含能材料分子間的相互作用及其對含能材料性能的影響。對1,?1-二氨基-2,?2-二硝基乙烯(FOX-7)二聚體和晶體的密度泛函理論(density functional theory,DFT)研究發現,*穩定二聚體的構型與晶體中分子堆積方式相似,說明結合能對該晶體中分子的排列方式起決定作用,還預示可按晶體結構較方便地找到某些分子的二聚或多聚體穩定構型[31]。在室溫下由FOX-7單體生成*穩定二聚體的ΔG<0,即該二聚體可自發生成,在常溫下結合能較弱的含能材料通常自發形成晶體,這在很大程度上歸因于分子間相互作用的協同效應。 分子間相互作用的強弱從本質上決定了多組分體系相容性的大小。對于由分子作用力結合而成的兩相組分體系,當A A+B B~2A B的ΔG<0,則A與B自發混合,即完全相容。通常A B結合能越大越有利于兩者之間的相容。在實際體系中,A或B在混合前后均盡可能多地與鄰近分子產生相互作用,并且A與B分子的大小和形狀各不相同。因此,直接由二聚體結合能值判斷組分間的相容性并不具有普遍性。更為可靠的相容性判斷方法是通過分子動力學模擬,得到溶解度參數和相互作用參數等。 從熱力學角度來看,體系的相容性可用混合熱ΔHm、混合熵ΔSm、溶解度參數δ及相互作用參數表征。其中溶解度參數較為簡便,可根據溶解度參數差值(Δδ)預測高分子混合物之間的相容性。對于高分子體系,若分子間沒有強極性基團或氫鍵作用,兩種材料的Δδ只要滿足|Δδ|<1.3~2.1(J cm–3)1/2,兩者就相容[32]。應用MD和介觀動力學(meso dynamics)對固體推進劑中端羥基聚丁二烯(hydroxyl terminated polybutadiene,HTPB)與增塑劑,如癸二酸二辛酯(dioctyl sebacate,DOS)、硝化甘油(nitroglycerin,NG)的相容性進行模擬,得到等密度圖、自由能密度和有序度參數等即可判斷共混體系的相容性;MD和介觀模擬結果均表明,HTPB/DOS屬于相容體系,DOS在整個區域近似均勻分布,與HTPB相容;而HTPB/NG屬于不

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