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冲击载荷下β-HMX内部热点形成的分子动力学模拟

文献类型:学位论文

作者尹府尹
答辩日期2022
文献子类硕士
授予单位中国科学院过程工程研究所
导师刘晓星 and 战金辉董卫刚
关键词含能材料,冲击加载,孔洞坍塌,热点,分子动力学
英文摘要

含能材料是各类武器装备的主要能量来源,在国防领域应用广泛。当含能材料内部的孔洞缺陷在冲击波作用下发生坍塌时,孔洞周围会发生诸如局部剪切、射流、化学反应等复杂且快速的物理/化学变化,导致冲击波能量沉积在局部,形成热点。在适当条件下,热点将迅速扩大并不可逆地演变为爆炸。因此热点的形成被广泛认作是冲击起爆过程中首要且关键的一个环节。深入认识冲击作用下含能材料内部热点形成过程和机理,对于认识和控制含能材料的冲击起爆行为具有重要的意义。本论文工作通过开展分子动力学模拟,从原子/分子层面上研究了冲击载荷下含纳米级孔洞的奥克托金(β-HMX)单晶内部的初期热点形成过程,并探究了热点能量的主要来源。本论文工作基于分子动力学方法的基本原理和理论基础,介绍了在MD软件LAMMPS中的模拟设置和输出数据的二次处理方法,并基于所选的非反应力场中存在的近程势阱问题对力场的能量表达式进行了修正。在对修正后的非反应力场进行准确性验证后,本论文工作基于该力场探究了含孔洞的β-HMX单晶中孔洞周围材料微观结构演变对机械热点形成过程的影响。材料局部最高速度、压力、剪切力、温度的分析结果表明,孔洞坍塌期间形成的机械热点是绝热剪切和压实的共同作用结果。随着冲击强度的提高,孔洞上游材料发生熔化,孔洞坍塌的机制由粘塑性变形主导转变为流体射流主导,这导致绝热剪切对热点温度的相对贡献逐渐降低但始终为主要产热机制,压实的相对贡献有所提高但为次要产热机制。为探究非反应力场和反应力场探究了含孔洞的β-HMX单晶中化学反应对初期热点的贡献,本论文工作对选用的反应力场也进行了准确性验证。通过对比两种力场下的原子行为,解耦了孔洞附近材料的微观结构演变和化学反应对热点温度的贡献。结果表明:化学反应几乎未影响到微观结构演变,但微观结构演变引发的机械热点催化了β-HMX分子的分解反应,分解产生的热量又进一步促进了热点的发展。提高冲击强度能明显提高化学反应规模和加深化学反应程度,因此化学反应对热点温度的贡献逐步提高,并最终成为控制热点的生长或湮灭的主要原因。最后总结了本论文工作内容、凝练了本论文工作特色与创新性,并对接下来的研究进行了展望。

语种中文
源URL[http://ir.ipe.ac.cn/handle/122111/60750]  
推荐引用方式
GB/T 7714
尹府尹. 冲击载荷下β-HMX内部热点形成的分子动力学模拟[D]. 中国科学院过程工程研究所. 2022.

入库方式: OAI收割

来源:过程工程研究所

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