热刺激条件下B炸药燃烧转爆轰过程的材料点法研究：温度效应与机理分析

为解决热环境对B炸药燃烧转爆轰(DDT)过程的影响机制问题，研究人员采用材料点法(MPM)模拟了不同初始温度下B炸药的燃烧演化过程。研究发现初始温度升高会降低点火压力阈值，但会延长DDT时间；揭示了压力上升速率与反应程度可作为判定爆轰转变的关键指标，为弹药热安全性设计提供了理论依据。

　　

在弹药储存和使用过程中，高温环境可能引发含能材料意外点火甚至爆轰，造成严重安全事故。B炸药（36% TNT + 64% RDX）作为典型混合炸药，其热刺激下的燃烧转爆轰（Deflagration-to-Detonation Transition, DDT）机制研究对弹药安全性至关重要。传统DDT试验虽能获取压力场数据，但难以揭示点火阈值、反应模式转变等深层机理。

中国研究人员团队采用材料点法（Material Point Method, MPM）这一兼具拉格朗日和欧拉方法优势的数值模拟技术，建立了包含Virial状态方程、Lee-Tarver反应速率模型的多物理场耦合模型。通过模拟300-510K初始温度下B炸药在DDT管中的热刺激燃烧过程，系统分析了温度对燃烧演化模式、冲击波发展和初始爆轰深度的影响规律。论文发表在《Results in Engineering》期刊。

关键技术包括：1）基于GIMP/EMMP算法的MPM多场耦合框架；2）整合JWL状态方程和Johnson-Cook本构的炸药-管壁相互作用模型；3）通过压力上升速率突变点识别冲击波的特征参数提取方法；4）基于"爆轰度λ"和"燃烧度f"双指标的反应状态判定体系。

研究结果方面：

1. 压力变化分析：发现300K时B炸药存在174.6MPa（热力学点火）和25.9MPa（压缩点火）双阈值，爆轰转变区位于观测点5#-6#之间（x=30.44cm），与实验数据误差<3%。
2. 宏观反应动力学：首次量化了初始爆轰深度L与温度的正相关性，450K时L达13.18cm，比330K时增加99%。
3. 反应波传播：初始平面冲击波速度在450K出现反常峰值（7461m/s），而稳定爆轰速度始终维持在7569.93m/s（相对误差0.93%）。

特别值得注意的是，当初始温度≥480K时，由于管壁约束减弱和低压燃烧产物膨胀，系统无法建立持续爆轰，最大压力仅1.45GPa。这一发现解释了高温环境下弹药"只燃不爆"现象的力学机制。

研究结论表明：温度效应主要通过改变点火敏感性和波阵面传播动力学来影响DDT过程。具体表现为：1）高温降低点火压力阈值但延缓DDT转变；2）初始温度仅影响冲击波初始参数（如300K时初始爆轰压力0.1058Mbar），对稳定爆轰状态无显著影响；3）提出的"初始爆轰深度"新参数可有效预测约束失效临界条件。该研究为弹药热安全设计提供了量化依据，建立的MPM分析方法可推广至其他含能材料的反应流模拟。