一种适用于聚合物粘合炸药在低速冲击下的自适应中观尺度点火模型

《Combustion and Flame》：An adaptive mesoscale ignition model for polymer bonded explosive under low velocity impact

　　

摘要

聚合物粘结炸药（PBX）在低速冲击载荷下容易发生意外点燃，这是由于裂纹摩擦和粘塑性流动导致的局部加热。准确模拟这种行为需要在保持计算效率的同时解决微米级别的热过程问题。本文提出了一个自适应的中观尺度点火模型，解决了两个关键挑战：固定大域导致的过高计算成本以及固定宽度热源假设缺乏物理依据的问题。该模型具有自适应计算域，能够根据温度上升阈值动态扩展；同时具备自适应热加载机制，能够在熔化过程中自动从表面热流转换到膨胀熔融区域内的体积热源。数值例子表明，使用固定的热负荷宽度会导致点火时间的显著偏差，而且热负荷的大小显著影响载荷区域的等效宽度。因此，不存在一个通用的最优固定值，这验证了基于物理的自适应热负荷策略在该模型中的优越性。所提出的自适应模型为预测中观尺度热点火响应提供了一个计算效率高且物理一致的框架，一旦提供了局部机械耗散信息，即可将其稳健地集成到多尺度安全评估中。

章节节选

创新性与重要性声明

本研究提出了一种自适应的中观尺度点火模型，克服了现有PBX点火模拟中的两个常见简化问题：固定的计算域和恒定的热源宽度。该模型根据温度上升阈值动态扩展计算域，并在熔化后自动从表面摩擦流切换到体积粘性加热。这种基于物理的策略消除了对任意选择热负荷宽度的需求。

一维自适应点火模型

我们研究了一种PBX材料在微裂纹界面受到局部机械刺激（例如摩擦或粘性流动）时的热响应。由于热量从摩擦表面向两侧材料传导的对称性，该问题被建模为一个一维半无限域（图1）。为了便于数值计算，我们定义了一个时变计算域：$x\in \left[0,X(\mathrm{t<mo\; is="true">)</mo>}\right]$，其中 $x=0$ 表示裂纹界面（对称平面）的中心，$X(\mathrm{t<mo\; is="true">)</mo>}$

模型验证

为了验证一维自适应点火模型在快速温度上升场景下的计算能力，我们在三种典型热加载条件下检验了其准确性：（1）热流边界条件（对应于裂纹表面的摩擦加热）；（2）局部区域内的恒定体积热源（对应于熔化后的粘塑性流动加热）；以及（3）放热化学分解热源。对热响应进行了数值计算

结论

本研究建立了一个物理上一致且计算效率高的PBX在低速冲击下的中观尺度点火模型。当前模型仅限于基于HMX的单组分PBX，具有单一熔点和一组分解参数。扩展到多组分含能材料将需要额外的材料数据和建模假设，这将在未来的工作中进行研究。该模型整合了两种自适应机制——动态计算域和自适应热加载机制。

CRediT作者贡献声明

Suyang Zhong：撰写——原始草案、方法论、研究、概念化。Hua Fu：监督、资源、方法论。Qingpeng Ma：撰写——审稿与编辑、软件、数据管理。Tao Li：验证、资源。Shenfei Liao：撰写——审稿与编辑、验证。

Suyang Zhong|Hua Fu|Qingpeng Ma|Tao Li|Shenfei Liao